Voiles spatiales à base de nanotechnologie évolutives développées pour l'exploration spatiale de la prochaine génération

24 mars 2025

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par l'Université de technologie de Delft

Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft et de l'Université Brown ont développé des voiles lumineuses basées sur la nanotechnologie et échelonnables qui pourraient soutenir les futures avancées dans l'exploration spatiale et la physique expérimentale. Leur recherche, publiée dans Nature Communications, présente de nouveaux matériaux et méthodes de production pour créer les réflecteurs à grande échelle les plus fins jamais fabriqués.

Les voiles lumineuses sont des structures ultra-minces et réfléchissantes qui utilisent la pression de radiation générée par un laser pour propulser les engins spatiaux à grande vitesse. Contrairement à la nanotechnologie conventionnelle, qui miniaturise les dispositifs dans toutes les dimensions, les voiles lumineuses suivent une approche différente. Elles sont nanométriques en épaisseur—environ 1/1000e de l'épaisseur d'un cheveu humain—mais peuvent s'étendre en feuilles de grandes dimensions.

La fabrication d'une voile lumineuse telle que prévue pour l'Initiative Breakthrough Starshot prendrait traditionnellement 15 ans, principalement parce qu'elle est couverte de milliards de trous nanométriques. En utilisant des techniques avancées, l'équipe, comprenant le premier auteur et doctorant Lucas Norder, a réduit ce processus à une seule journée.

« Ce n'est pas juste une autre étape pour rendre les choses plus petites ; c'est une nouvelle manière de penser la nanotechnologie », explique le Dr Richard Norte, professeur associé à l'Université de technologie de Delft. « Nous créons des dispositifs à rapport d'aspect élevé qui sont plus fins que tout ce qui a été précédemment conçu mais qui s'étendent sur des dimensions similaires à celles de structures massives. » Le prototype actuel mesure 60 mm x 60 mm et a une épaisseur de 200 nanomètres, couvert de milliards de trous nanométriques. Cela représente une avancée significative dans la fabrication de voiles lumineuses à grande échelle.

« D'autres avancées récentes dans le domaine, comme celles du Caltech, ont démontré un contrôle nanométrique sur les structures des voiles à l'échelle micrométrique, tandis que notre approche se dimensionne à des structures de l'ordre du centimètre tout en conservant une fabrication de précision à l'échelle nanométrique. » Si elle est agrandie, la voile lumineuse fabriquée par Norte et ses collègues s'étendrait sur la longueur de sept terrains de football avec une épaisseur d'un millimètre seulement.

« Ce n'est pas seulement son rapport d'aspect élevé qui rend ce matériau spécial ; c'est la combinaison simultanée de grande échelle et de nanométrique dans le même matériau qui le rend léger et réfléchissant », explique Norte.

L'équipe a combiné des techniques d'optimisation topologique neuronale de pointe avec des méthodes de fabrication de pointe pour y parvenir. « Nous avons développé une nouvelle technique de gravure basée sur le gaz qui nous permet de retirer délicatement le matériau sous les voiles, ne laissant que la voile », explique Norte. « Si les voiles se cassent, c'est le plus souvent pendant la fabrication. Une fois suspendues, elles sont en réalité assez robustes. Ces techniques ont été développées de manière unique à l'Université de technologie de Delft. »

« Notre travail combine les dernières avancées en matière d'optimisation pour explorer de nouvelles façons de trouver des conceptions non intuitives », déclare le Dr Miguel Bessa de l'Université Brown. « En mélangeant les réseaux neuronaux avec l'optimisation topologique, nous avons créé des conceptions qui repoussent les limites de ce qui est possible à la fois en nanophotonique et en fabrication à grande échelle.

Les voiles lumineuses proposées tirent parti de la pression de radiation générée par un laser pour accélérer à des vitesses étonnantes, permettant un voyage interplanétaire rapide. Par exemple, les sondes propulsées par des voiles lumineuses développées pourraient, en théorie, atteindre Mars en un temps équivalent à celui mis pour la livraison de courrier international.

Alors que de telles distances vastes restent un objectif pour l'avenir, des études récentes ont démontré que des voiles lumineuses similaires peuvent actuellement être propulsées sur des distances aussi petites que des picomètres. Norte et son équipe préparent maintenant des expériences pour pousser les nouvelles voiles membraneuses à travers des distances mesurées en centimètres contre la gravité de la Terre. « Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais ce serait 10 milliards de fois plus loin que tout ce qui a été poussé avec des lasers jusqu'à présent. »

En dehors de l'exploration spatiale, ces matériaux ouvrent de nouvelles possibilités pour la physique expérimentale. La capacité à accélérer des masses à des vitesses élevées offre des opportunités sans précédent pour étudier les interactions lumière-matière et la physique relativiste à des échelles macroscopiques.

« Cette recherche place Delft à l'avant-garde des sciences des matériaux à l'échelle nanométrique », ajoute Norte. « Maintenant que nous pouvons fabriquer ces voiles lumineuses aussi grandes que les semi-conducteurs peuvent fabriquer des plaquettes, nous explorons ce que nous pouvons faire avec les capacités actuelles en matière de nanofabrication, de lasers et de conception.

Dans certains cas, je pense que cela pourrait être aussi excitant que les missions au-delà du système solaire. Ce qui me frappe, c'est que la création de ces matériaux optiques minces peut ouvrir une fenêtre sur des questions fondamentales telles que : à quelle vitesse pouvons-nous réellement accélérer un objet. La nanotechnologie derrière cette question est certaine d'ouvrir de nouvelles voies de recherche intéressantes.

Actuellement, il faudrait environ 10 000 ans pour que nos fusées les plus rapides atteignent même l'étoile la plus proche en dehors du système solaire. L'initiative Breakthrough Starshot, qui réunit des milliers de chercheurs, vise à réduire ce voyage à seulement 20 ans.

En développant des vaisseaux spatiaux ultralégers propulsés par laser de la taille de microchips, le projet envisage la première exploration interstellaire de l'humanité au-delà du système solaire. Starshot a été lancé par Yuri Milner et Stephen Hawking en 2016.

Plus d'informations : Lucas Norder et al, Miroirs en cristal photonique pentagonal : voiles lumineuses évolutives avec une accélération améliorée via une optimisation de la topologie neuronale, Nature Communications (2025). DOI : 10.1038/s41467-025-57749-y

Informations sur la revue : Nature Communications

Fourni par l'Université de technologie de Delft